گرافن چیست و از خواص شگفت انگیز آن چه می دانید؟

گرافن (graphene) یک لایه اتم کربن با ضخامت یک اتم است که در یک شبکه شش ضلعی مرتب شده است. این ترکیب ماده اصلی سازنده گرافیت است. گرافن به تنهایی یک ماده قابل توجه است و دارای انبوهی از خصوصیات حیرت انگیز است و به همین دلیل کاربردهای متنوعی دارد. این ماده سازنده سایر مواد گرافیکی است. از آنجا که قطر اتم کربن معمولی حدود ۰.۳۳ نانومتر است ، حدود ۳ میلیون لایه گرافن در ۱ میلی متر گرافیت وجود دارد.

واحدهای گرافن به عنوان نانو گرافن نیز شناخته می شوند. اینها برای عملکردهای خاص طراحی و تولید می شوند و به همین ترتیب فرایند ساخت آنها پیچیده تر از گرافن معمولی است. نانوگرافن با حذف انتخابی اتم های هیدروژن از مولکول های آلی کربن و هیدروژن ساخته می شود ، این فرآیند دهیدروژناسیون نامیده می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

تاریخچه کشف گرافن

مطالعه نظری این ترکیب در سال ۱۹۴۷ توسط فیزیکدان فیلیپ آر والاس به عنوان اولین قدم برای درک ساختار الکترونی گرافیت آغاز شد. اصطلاح گرافن توسط شیمی دانان هانز-پیتر بوهم ، رالف ستتون و ابرهارد استامپ در سال ۱۹۸۶ به عنوان ترکیبی از کلمه گرافیت ، با اشاره به کربن در شکل کریستالی مرتب شده آن مانند هیدروکربن های معطر چند حلقه ای که در آنها اتمهای کربن ساختارهای حلقوی شش ضلعی یا شش ضلعی تشکیل می دهند، بکار برده شد.

در سال ۲۰۰۴ فیزیكدانان دانشگاه منچستر ، كنستانتین نووسلوف و آندره گیم و همكارانش با استفاده از یك روش بسیار ساده لایه برداری از گرافیت ، گرافن یك لایه را جدا كردند. آنها با استفاده از نوار چسب لایه های بالایی یک نمونه گرافیتی را برداشتند. وقتی نوار برداشته شد ، مقداری از این ماده به صورت تک لایه روی آن باقی مانده است. در حقیقت ، استخراج این ترکیب به خودی خود کار دشواری نیست.

هر بار که شخصی با مداد روی کاغذ می کشد ، رد مداد حاوی کسری کوچک از گرافن یک لایه و چند لایه است. دستاورد گروه منچستر نه تنها جداسازی لایه های گرافنی بلکه مطالعه خصوصیات فیزیکی آنها بود. به طور خاص ، آنها نشان دادند که الکترون های موجود در این ماده از تحرک بسیار بالایی برخوردار هستند ، به این معنی که  می تواند در کاربردهای الکترونیکی نیز استفاده شود. در سال ۲۰۱۰ جایزه نوبل فیزیک برای این کشف به گیم و نووسلوف اهدا شد.

آشنایی با ویژگی گرافن

این ترکیب نازکترین ماده شناخته شده برای انسان با ضخامت یک اتم و همچنین فوق العاده مستحکم است – حدود ۲۰۰ برابر قوی تر از فولاد. علاوه بر این ، گرافن رسانای بسیار خوبی برای گرما و الکتریسیته است و توانایی جذب نور جالبی دارد. گرافن ماده ای است که با پتانسیل نامحدود برای ادغام در هر صنعتی می تواند جهان را تغییر دهد.

این ماده سخت تر از الماس و در عین حال انعطاف پذیرتر از لاستیک است. این ترکیب سخت تر از فولاد و در عین حال سبک تر از آلومینیوم است. در واقع گرافن قوی ترین ماده شناخته شده است.

از دیگر خواص این ترکیب می توان به تحرک بالای الکترون های آن که ۱۰۰ برابر سریعتر از سیلیکون هستند ، اشاره کرد. این ماده گرما را ۲ برابر بهتر از الماس هدایت می کند. رسانایی الکتریکی آن ۱۳ برابر بهتر از مس است و فقط ۲.۳٪ از نور بازتابنده را جذب می کند. شفافیت گرافن همچنین باعث خواص نوری منحصربه فرد  برای یک تک لایه اتمی شده است.

این ترکیب نفوذ ناپذیر است به طوری که کوچکترین اتم (هلیوم) نیز نمی تواند از یک صفحه گرافن تک لایه بدون نقص عبور کند  و مساحت سطح بالای آن ۲۶۳۰ متر مربع در گرم است به این معنی  که با کمتر از ۳ گرم آن می توانید یک زمین فوتبال را بطور کامل بپوشانید.

گرافن بلوک اصلی ساخت سایر مواد گرافیکی است. این ماده همچنین یک کلاس جدید از مواد را نشان می دهد که ضخامت آنها فقط یک اتم است که اصطلاحاً به آنها مواد دو بعدی  یا ۲D  می گویند زیرا فقط در دو بعد گسترش می یابند  طول و عرض ؛ زیرا این مواد فقط  دارای یک اتم هستند ( ضخامت ، بعد سوم و ارتفاع  صفر در نظر گرفته می شود).

این ترکیب  همچنین برای ساخت ساختارهای ناهمگن واندروالسی مخلوط که می توانند از طریق هیبریداسیون گرافن با نقاط کوانتومی 0D یا نانوذرات ، ساختارهای نانو یک بعدی مانند نانوسیم ها یا نانولوله های کربنی ، یا مواد فله ای سه بعدی بسیار جذاب تولید کند ، مورد استفاده قرار می گیرد. گرافن آئروژل سبک ترین ماده ثبت شده در جهان است که می تواند کاربردهای منحصر به فردی ارائه دهد.

تولید انواع گرافن

ساختار این ترکیب بسیار هیجان انگیز است ، اما تولید مواد با کیفیت بالا هنوز هم یک چالش است. ده ها شرکت در سراسر جهان در حال تولید انواع و گریدهای مختلف مواد گرافن هستند – از گرافن تک لایه با کیفیت بالا که با استفاده از فرآیند مبتنی بر CVD سنتز می شود تا پوسته های گرافن تولید شده از گرافیت در حجم زیاد.

ورق های گرافن پیشرفته بیشتر در فعالیت های تحقیق و توسعه یا در مواردی مانند تولید سنسورها مورد استفاده قرار می گیرند ، اما پوسته های گرافنی که در حجم زیادی تولید می شوند و با قیمت های پایین تر تولید می شوند ، در بسیاری از برنامه ها مانند تجهیزات ورزشی ، لوازم الکترونیکی مصرفی ، خودرو و سایر موارد استفاده می شوند.

فاز مایع و لایه برداری حرارتی

فاز مایع و لایه برداری حرارتی با استفاده از حلال های شیمیایی یا شوک حرارتی هر دو شامل تجزیه گرافیت و تشکیل لایه های گرافن است .این روش ها برای تولید گرافن در مقیاس بزرگ بسیار مناسب هستند – با این حال ، پوسته ها معمولاً چند لایه هستند و یک لایه نیستند و کنترل تعداد لایه ها دشوار است. این فرآیند همچنین می تواند ناخالصی ها را به گرافن وارد کند.

هنگام استفاده از نانولوله های کربنی به جای گرافیت ، می توان صفحات کوچکتری از این ماده را به دست آورد ، اما این امر فرآیند را با هزینه و زمان بسیار بیشتری انجام می دهد.

سنتز روی سیلیکون کاربید

از کاربید سیلیکون می توان برای سنتز لایه های گرافن استفاده کرد – وقتی اتم های Si تصعید می شوند باقیمانده کاربید سیلیکون به یک سطح نازک گرافیتی تبدیل می شود. امروزه می توان تعداد لایه های گرافن را کنترل کرد و کیفیت بسیار بالایی را در سطح وسیع بدست آورد.

هزینه بالای کاربید سیلیکون و نیاز به افزایش درجه حرارت برای دستیابی به تصعید از عمده ترین نقایص این فرآیند است. این عوامل ممکن است گرافن ساخته شده توسط این روش را به بازارهای مختلف مانند استانداردهای مقاومت در اندازه گیری و ترانزیستورهای با فرکانس بالا محدود کند.

رسوب بخار شیمیایی (CVD)

در حال حاضر CVD بهترین روش برای ساخت گرافن با کیفیت بالا در مقادیر زیاد در نظر گرفته شده است. این روش شامل رسوب اتمهای کربن گازی بر روی یک فویل مسی و سپس انتقال فیلم گرافن به طیف وسیعی از بسترها ، مانند سیلیکون است.

می توان فرآیند CVD را کنترل کرد تا میزان نقص را به حداقل برساند. اگرچه نقاط ضعف در مرز دانه ها و مناطق چند لایه در گرافن CVD کاملاً رایج است ، اما نشان داده شده است که در بیشتر موارد کمترین تأثیر را بر عملکرد دارند. نسبت مطلوب قیمت / کیفیت باعث می شود گرافن CVD برای بسیاری از کاربردها مانند الکترونیک انعطاف پذیر / شفاف ، موانع گازی و پوشش ضد خوردگی مناسب باشد.

کاربردهای بالقوه گرافن

این ماده کاربرد بسیار متنوعی دارد  و می تواند با عناصر دیگر (از جمله گازها و فلزات) ترکیب شود و مواد مختلفی با خواص برتر تولید کند. محققان در سراسر جهان به طور مداوم به تحقیق و ثبت اختراع گرافن برای یادگیری خواص مختلف و کاربردهای احتمالی آن ادامه می دهند که شامل موارد زیر است:

• باتری ها
• ترانزیستور
• تراشه های رایانه ای
• تولید انرژی
• ابرخازنها
• تعیین توالی DNA
• فیلترهای آب
• آنتن ها
• صفحه های لمسی (برای نمایشگرهای LCD یا OLED)
• سلول های خورشیدی

تفاوت گرافن و گرافیت

گرافیت یک آلوتروپ پایدار از کربن است که ساختار کریستالی دارد و از تعداد زیادی ورق کربن تشکیل شده است. ساختار گرافیت شکننده است و اتم های آن از طریق پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل شده اند.

گرافن ساختاری است که از یک لایه واحد گرافیت تشکیل شده است و در واقع یک صفحه کربن است. این ترکیب یکی از قویترین موادی است که تاکنون شناخته شده است و  دارای چهار پیوند است که شامل سه پیوند سیگما در اطراف یک اتم کربن و یک پیوند پی پی در خارج است.

اکسید گرافن چیست؟

گرافن اکساید ماده ای دو بعدی است با ساختار شش ضلعی و کریستالی که به صورت تک لایه ساخته شده است که بر روی صفحات آن اکسیژن وجود دارد. گروه های اکسیژنی باعث به هم ریختن ساختار اصلی گرافن می شوند بنابراین خواص اصلی آن مانند رسانایی (الکتریکی – حرارتی) را تحت تاثیر قرار داده و آنرا کاهش می دهند. اما وجود گروه های اکسیژنی اجازه می دهد این ماده برهم کنش بهتری با مواد دیگر داشته باشد و این امکان را به ما می دهد که با استفاده از پیوند های کووالانسی این صفحات را به پلیمرها یا مواد دیگر پیوند بزنیم.  زیست سازگاری بهتر این ترکیب نسبت به گرافن کاربردپذیری آنرا نیز بهبود می بخشد.

تفاوت گرافن و گرافین

گرافین از نظر ساختاری بسیار شبیه به گرافن است یعنی ورقه‌های کربنی  در این ترکیب نیز به ضخامت یک اتم هستند. گرافین با شبیه سازی کامپیوتری طراحی شده است و به دلیل خواص جالب توجه می تواند رقیبی برای گرافن محسوب شود. اما گرافین برخلاف گرافن که تنها به‌ صورت شبکه لانه زنبوری وجود دارد می‌تواند به‌ شکل ساختارهای دو بعدی ظاهر شود. گرافین به دلیل دارا بودن ویژگی تیرک مخروطی خواص الکترونیکی جالب و منحصر به فردی دارد بنابراین می تواند در وسایل الکترونیکی مبتنی بر کربن مورد استفاده قرار بگیرد.

گرافن شیمی دوازدهم

گرافن یک شبکه شش ضلعی از اتم‌های کربن است که به هم متصل می‌شوند و یک ورقه منفرد را در دو بعد تشکیل می‌دهند. هر اتم کربن به سه اتم کربن دیگر در صفحات x و y پیوند دارد اما در صفحه z هیچ چیز وجود ندارد. بنابراین، ورقه گرافن از نظر اتمی ضخیم است زیرا ارتفاع آن فقط یک اتم کربن است. ضخامت گرافن در حدود ۰.۴ تا ۱.۷ نانومتر اندازه‌ گیری شده است که ۲۵۰۰۰۰ برابر نازک ‌تر از کاغذ چاپگر است. از نظر تئوری، هیچ محدودیتی برای اندازه ورق های گرافن وجود ندارد. بزرگترین صفحات گرافن دارای طولی در مقیاس سانتی متری هستند که ده میلیون برابر بزرگتر از ضخامت آن است.

گرافن بخشی از خانواده ای از مواد مبتنی بر کربن (گرافیتی) مانند گرافیت، نانولوله های کربنی و فولرن ها است. آنها اشکال ساختاری متفاوتی از کربن دارند که آرایش اتمی مشابهی دارند. گرافیت از لایه های گرافن تشکیل شده است. برهمکنش های بین لایه ای ضعیفی وجود دارد که گرافیت را کنار هم نگه می دارد. فعل و انفعالات به قدری ضعیف هستند که به لایه ها اجازه می دهند روی یکدیگر بلغزند. این امر دسترسی به لایه های جداگانه گرافن را آسان می کند.

کار اولیه روی گرافن نشان داد که خواص آن بسیار بیشتر از گرافیت لایه ‌ای حجیم است که از آن گرفته شده است. خواصی مانند استحکام نشان داد که یک لایه ماده بیش از ۲۰۰ برابر قوی تر از فولاد است. تحرک حامل های بار مانند الکترون ها با فلزات حجیم مانند مس قابل مقایسه است. رسانایی گرمایی گرافن بسیار بالا است و به گرما اجازه می دهد تقریباً بدون هیچ مقاومتی از آن عبور کند. گرافن علیرغم جذب خوب نور، به طرز چشمگیری شفاف است. حدود ۲.۳ درصد از نور مرئی را جذب می کند، مقدار قابل توجهی با توجه به اینکه تنها یک اتم ضخامت دارد.